煤矸石充填置換技術存在的問題及分析

李潔瑩

(中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221008)

煤矸石充填采空區的采煤方法是實現煤礦綠色開采的關鍵技術之一［1］。該技術解決了煤矸石固體廢棄物露天堆積和因采煤造成的地表塌陷等問題，減少了礦區環境污染和采區地表沉降。同時用矸石置換預留煤柱，提高了煤炭資源回收率。據統計，我國“三下”壓煤達137億t，如果采用國內應用較為普遍的條帶開采方法回收“三下”壓煤，那么采出率也只有30%。此外作為固體廢棄物的矸石因其排放量比較大并且要提升至地面，不僅費時費力，而且占用土地，污染環境。而采用矸石填充置換技術就可以就地處理煤矸石，在井下實現煤與矸石分離，然后將矸石充填到采空區或者置換“三下”壓煤，這樣就可以提高煤炭資源回收率，實現廢棄資源的再利用，優化礦區環境。當前矸石充填置換技術已經在全國多數礦區普及，相關技術已趨成熟。該技術在新汶礦業集團已得到成功應用并且取得了巨大的經濟效益。新汶礦業集團下屬翟鎮煤礦與北京煤科院共同設計開發了ZZ2600/13/20．5BXI型充填支架和專用充矸設備，實現了前方采煤后方填充的連續機械化作業要求，達到矸不升井的目標［2］。此外在大興煤礦2212炮采工作面傾斜煤層也成功利用了矸石充填技術。由于煤礦開采所依賴的地質構造、水文、瓦斯等條件較為復雜，相關技術的使用必須符合礦井的開采條件。煤矸石充填置換技術在高瓦斯礦井中使用會存在一定的問題和受一定條件限制。

1 充填置換技術存在的問題

高瓦斯礦井中煤層的瓦斯含量較普通礦井大，掘進和回采過程中瓦斯涌出量大，并且存在采空區積聚瓦斯的問題。高瓦斯礦井中使用局部瓦斯治理措施實行煤層瓦斯抽采和采空區瓦斯抽放，在使用煤矸石充填采空區會對使本來已經卸壓鄰近煤層造成一定影響。使用煤矸石置換煤柱，可以減少煤柱和浮煤釋放的殘余瓦斯，但在封堵不嚴存在漏風的情況仍然會導致瓦斯積聚。煤矸石的產量占原煤的比例較低，不可能對所有采空區進行充填，對所有煤柱進行置換。也就是掘進中產生的煤巖和回采中分離出來的煤矸石，在煤炭開采的后期是短缺的。況且對采空區進行填充，即便是壓實了矸石，但是由于煤矸石的塊狀結構必然對瓦斯和空氣有較高的滲透率，在封堵不嚴的情況下容易產生局部高溫點造成采空區自燃火災。這些問題在矸石充填和置換技術在高瓦斯礦井中的使用要加以考慮。

2 存在的問題分析

2．1 充填對瓦斯抽采的影響

我國多數高瓦斯礦井的煤層透氣性低，瓦斯抽采和抽放困難。高瓦斯礦井進行開采前要進行瓦斯抽采或抽放，煤層的滲透率低，一般需要先進行卸壓，然后進行抽采。在上鄰近層的煤層回采完畢的情況下，下層煤卸壓區內煤層膨脹變形，透氣性系數顯著增加，有利于瓦斯抽采。在高瓦斯礦井中使用充填置換技術把煤矸石運送至采空區，勢必對下鄰近層重新加壓，不利于開采過程中瓦斯的抽采和抽放，容易導致回采過程中瓦斯涌出、煤與瓦斯突出等災害事故發生。在高瓦斯礦井中，使用煤矸石充填技術時，要考慮充填后對開采煤層的影響，可以采用先開采下層煤，后采上層煤;或者是在充填過程中就對下鄰近煤層進行瓦斯抽采或抽放;也可以考慮采用間隔充填法，隔一段距離進行充填，這樣可以減小對下鄰近層的壓力，在下層煤回采完畢后，用注漿充填空隙，防止瓦斯積聚。

2．2 煤矸石充填置換對采空區漏風影響

對開采過程中的預留煤柱用煤矸石進行置換可以提高煤炭回收率，減少煤炭開采損失，有利于提高礦井開采年限。對于“三下”壓煤采用煤矸石充填置換技術可以減少地表塌陷，并且使用煤矸石置換煤柱可以減少煤柱和浮煤解析的殘余瓦斯，減少采空區的瓦斯來源。通過充填矸石達到使矸石支撐頂板，減少巷道變形量，保證巷道的完整性，替代以單體支架、木垛支護為主的傳統支護方式，節約大量的留巷支護材料和支護費用［3］。但由于煤矸石堆積的密度和強度較小，使其在地應力作用下造成頂板下沉量加大，而煤體支撐屬于剛性支撐，頂板下沉量較小［2］，并且煤矸石置換煤柱以后還要采用二次支護來加強頂板控制，維護工作量較大。對采空區密封之后，由于煤矸石本身的塊狀結構和頂板下沉容易造成采空區內漏風加大，鄰近層的瓦斯進入采空區，造成采空區瓦斯涌出。此外如果煤層易自燃，在存在漏風的情況下容易導致浮煤的自燃。所以，針對上述問題要加強采空區的密閉防止漏風，也可以從地面注漿，將采空區充填解決漏風問題。

2．3 煤矸石短缺問題

全部充填技術可以減少礦井沖擊地壓對巷道的影響，在充填及時、足量的情況下可以做到不形成垮落帶，導水裂隙帶的高度也大大減少，減少因采動引起的煤層上覆巖層破壞造成的裂隙導水。同時完全充填采空區可以減少瓦斯積聚，減少全部垮落法采煤造成的采空區漏風對預防煤自燃發火效果明顯［4］。但煤矸石在原煤中占很少的比例，尤其是含矸量少的礦井，在充填的前期矸石主要來源于掘進工作面、洗煤廠和地面矸石山回填，隨著采空區面積的加大完全充填所需的矸石量是不夠的，不足以完全充填采空區。同樣置換預留煤柱，矸石量也不能滿足需求。全部充填工藝在應用中噸煤會增加近百元的直接成本，如果矸石短缺從地面運送充填材料(粉煤灰、沙土、建筑垃圾等)，將增加噸煤成本。考慮到矸石短缺，對于高瓦斯礦井可以采取間隔充填，每隔一段距離充填一段，這樣既可以對下鄰近層卸壓，又可以防治沖擊地壓、地表塌陷。同時做好每段充填矸石的密封和頂板管理，防止裂隙出現導致漏風。對于置換煤柱應該保留一部分煤柱，即置換部分煤柱，這樣一方面可以提高回采率，另一方面可以減少頂板下沉和后期維護。此外要加強采空區瓦斯治理，對高瓦斯礦井要保留部分煤柱以預防采空區瓦斯積聚，加強回風隅角的瓦斯抽放。

3 結論

本文討論了煤矸石充填技術在高瓦斯礦井中使用存在的問題。1)在高瓦斯礦井中使用充填技術要考慮對下鄰近煤層的影響，使用間隔充填，減少對下層煤層的壓力，有利于煤層的瓦斯抽采和抽放。2)在置換煤柱方面，要保留部分煤柱，置換一部分煤柱，這樣有利于頂板支護，減少頂板下沉。3)應加強采空區的漏風管理、頂板管理和通風管理，防治瓦斯涌出。此外完全充填存在煤矸石的短缺問題，其它充填材料的回填以及后期管理維護問題增加了噸煤的成本，需要加以綜合考慮。

［1］ 劉元明，丁 瑞，田 偉，等．煤矸石井下充填置換技術的研究與應用［J］．煤炭加工與綜合利用，2009(5)：50－52．

［2］ 李錢坤，張 忠，華興斌．綜采矸石充填技術在翟鎮煤礦的應用［J］．山東煤炭科技，2008(6)：24－25．

［3］ 宋 博，蘇成林．淺析矸石充填技術在傾斜煤層的應用［J］．山東煤炭科技，2009(3)：5－6．

［4］ 公茂泉．推廣矸石充填技術 實現煤礦綠色開采［J］．山東煤炭科技，2010(1)：2－4．